DE19927661B4

DE19927661B4 - Anordnung aus Träger und supraleitendem Film

Info

Publication number: DE19927661B4
Application number: DE19927661A
Authority: DE
Inventors: Roger Dr. Wördenweber
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1998-06-22
Filing date: 1999-06-17
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2019-06-18
Also published as: DE19927661A1; DE19964555B4; US6345189B1; US6175749B1; US6345190B1

Abstract

HF-Bauteil mit einem Bauteilträger (26) und einem auf dem Bauteilträger (26) angeordneten Film (23, 24, 25), wobei der Film ein Hochtemperatursupraleiter (HTSL)-Film ist, ist der in einer für das HF-Bauteil charakteristischen vorgegebenen Form strukturiert ist, und wobei der Film (23, 24, 25) mit einer Vielzahl von den Film (23, 24, 25) durchsetzenden Löchern mit einem Radius r im Bereich von 50 bis 2000 nm versehen ist, deren Anzahldichte über den Film (23, 24, 25) örtlich derart variiert, dass in gefährdeten Bereichen höherer äußerer magnetischer Feldstärke, erhöhter Temperatur oder auch erhöhter Stromdichte eine besonders hohe lokale Anzahldichte von Löchern vorhanden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung, die einen Träger und einen auf dem Träger angeordneten Dünnfilm bestehend aus einem Hochtemperatursupraleiter umfasst, wobei der Dünnfilm mit einer Vielzahl von den Dünnfilm durchsetzenden Löchern mit einem Radius r im Bereich von 50 bis 2000 nm versehen ist.
In Solid State Commun. 91, 331 (1994), Metlushko, V.V. et al. ist ein Dünnfilm bestehend aus einem konventionellen Typ II-Supraleiter beschrieben, der mit einem periodischen Lochgittermuster durchsetzt ist. Die in dem supraleitenden Film bei ausreichend großem Magnetfeld auftretenden Flussschläuche ordnen sich in Form eines Gitters (Abrikosov-Gitter) an. Anhand einer Messung der Gleichstromleitfähigkeit in Abhängigkeit von der Stärke eines äußeren Magnetfelds wird in der Veröffentlichung eine Wechselwirkung zwischen dem Abrikosov-Gitter und dem aufgeprägten künstlichen Lochgitter nachgewiesen.
Ferner sind seit einigen Jahren Hochtemperatursupraleiter (HTSL) bekannt. Im Unterschied zu konventionellen Supraleitern können HTSL bereits bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs (77K) betrieben werden, wodurch sich der für die Kühlung erforderliche Aufwand drastisch reduziert. HTSL weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie im supraleitenden Zustand eine im Vergleich zu konventionellen Typ II Supraleitern hohe Dissipation zeigen.
In der Hochfrequenztechnik, insbesondere im Mikrowellenbereich (300 MHz bis 300 GHz) ist es wünschenswert, in Wänden von Bauteilen wie beispielsweise Resonatoren oder Hohlleitern eine möglichst verlustfreie elektrische Leitung von Oberflächenströmen zu ermöglichen. Dadurch lassen sich wichtige HF-Eigenschaften der entsprechenden Bauteile wie bspw. Güte, Dämpfung usw. verbessern.
Zur Herabsetzung der ohmschen Verluste in Metalloberflächen von HF-Bauteilen ist es bereits bekannt, die Oberfläche zu polieren, zu plattieren oder eine Oberflächenvergütung bestehend aus einem Metall mit hoher elektrischer Leitfähigkeit (Silber, Gold) vorzusehen.
Ferner ist es bereits bekannt, zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit bei HF-Bauelementen supraleitende Oberflächenschichten einzusetzen. Nachteilig ist jedoch, dass diese zur Aufrechterhaltung des supraleitenden Zustands unter ihre Sprungtemperatur T_c abgekühlt werden müssen, was häufig mit einem erheblichen Aufwand verbunden ist.
In der elektrischen Leitungstechnik sind Bandleiter bekannt, die aus einem Bandträger bestehend aus einem elektrisch leitfähigen Material und einem darauf abgelagerten HTSL-Film bestehen.
Im Bereich der Messtechnik sind SQUIDs (SQUID: Superconductive Quantum Interference Device) zur hochempfindlichen Messung von Magnetfeldern bekannt. Bei HTSL-SQUIDs ist nachteilig, dass die Messempfindlichkeit durch ein verhältnismäßig hohes Niederfrequenzrauschen begrenzt wird.
Aus der Veröffentlichung „Preparation of regular arrays of antidots in Yba₂Cu₃O₇ thin films and observation of vortex lattice matching effects" Appl. Phys. Lett. 71(7), 18. August 1997 ist weiterhin bekannt, supraleitende Bandleiter vorzusehen, die einen „perforierten" HTSL-Film mit einer Vielzahl von Löchern aufweisen, welche in einem regelmäßigen Gitter angeordnet sind, um auf diese Weise die Bauteileigenschaften zu verbessern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung anzugeben, die in der Technik in vielfältiger Weise nutzbringend einsetzbar ist. Insbesondere zielt die Erfindung darauf ab, eine Anordnung zu schaffen, die es ermöglicht, HF-Bauteile mit wesentlich verbesserten Bauteileigenschaften, supraleitende Bandleiter mit höherer Stromtragfähigkeit und aktive supraleitende Elektronikbauteile mit einem niedrigeren Rauschpegel zu schaffen.
Zur Lösung der Aufgabe ist eine Anordnung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, beispielsweise in Bereichen höherer äußerer magnetischer Feldstärke, erhöhter Temperatur oder auch erhöhter Stromdichte eine besonders hohe lokale Anzahldichte von Löchern vorzusehen, wodurch in diesen gefährdeten Bereichen eine besonders hohe HF-Verträglichkeit, Stromtragfähigkeit oder Rauschunterdrückung geschaffen wird.
Löcher in dem in Anspruch 1 angegebenen Größenbereich können mittels bekannter Lithographietechniken wie beispielsweise Photolithographie, Elektronenstrahllithograpie oder Röntgen strahllithograpie in Kombination mit bekannten Ätzverfahren erzeugt werden. Vorzugsweise liegt der Radius der Löcher im Bereich von 500 bis 1000 nm, da Löcher in diesem Größenbereich in besonders einfacher Weise durch photolithographische Techniken hergestellt werden können.
Der mittlere Abstand d zwischen benachbarten Löchern, der Lochradius r und die Dicke t des Films können vorzugsweise so gewählt werden, dass die Ungleichung B_c1·(t/(d – 2r))^0,5 ≥ B erfüllt ist, wobei B_c1 das untere kritische Feld des Supraleiters und B das äußere Magnetfeld bezeichnen. In diesem Fall sind sämtliche in dem Film auftretenden Flussschläuche an Löchern verankert, wodurch die erwähnten vorteilhaften Eigenschaften (Reduzierung des HF-Oberflächenwiderstandes, Erhöhung der Stromtragfähigkeit und Verminderung des Rauschens) der erfindungsgemäßen Anordnung in besonders ausgeprägter Weise realisiert werden.
Die Anordnung nach der Erfindung kann in vielen Bereichen der Technik eingesetzt werden. Vorteilhafte Anwendungsbereiche ergeben sich insbesondere in der HF-Technik für Resonatoren und HF-Leitungsbauteile in Koaxial- und Hohlleitertechnik sowie für integrierte (hybride oder monolithische) Mikrowellenschaltungen, bei supraleitenden Bandleitern und im Bereich der Rauschunterdrückung bei aktiven supraleitenden Elektronikbauteilen.
Integrierte Mikrowellenschaltungen (MIC) sind in der Technik in Form von hybriden oder monolithischen Schaltungen an sich bereits bekannt. Bei hybriden integrierten Schaltungen werden einzelne, fertige Bauteile (Hybridelemente) zu einer Schaltung zusammengefügt, während bei monolithischen integrierten Schaltungen die gesamte Schaltung auf einem Halbleitersubstrat enthalten ist.
Die erfindungsgemäße HF-Anordnung kann sowohl im Bereich hybrider als auch monolithischer Mikrowellenschaltungen zum Einsatz kommen. Im ersten Fall kennzeichnet sich eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dadurch, dass der Träger als Bauteilträger ausgebildet ist, und dass der Film in einer für das HF-Bauteil charakteristischen Form strukturiert ist. Im zweiten Fall ist der Träger ein Halbleitersubstrat, auf dem eine integrierte Schaltung ausgebildet ist. In beiden Fällen wird die Mikrowellenverträglichkeit der integrierten Schaltung durch das Vorsehen des erfindungsgemäßen Films erhöht.
Durch die in der erfindungsgemäßen Anordnung von den Löchern ausgeübten starken attraktiven Kräfte ("pinning-forces") wird im Bereich des aktiven Bereichs eine Verankerung der Flussschläuche an den Löchern bewirkt. Durch die Verankerung wird eine thermisch angeregte "Flussschlauchwanderung" ("vortex hopping") unterbunden und auf diese Weise das Rauschen des aktiven Elektronikbauteils vermindert.
Der Film kann in Form eines einen inneren Freibereich umlaufenden und einen Josephson-Kontakt enthaltenden Ringes ausgebildet sein. Ein supraleitender Ring mit zumindest einem Josephson-Tunnelkontakt ist in der Technik als SQUID bekannt. Das niederfrequente Rauschen eines SQUIDs wird hauptsächlich durch Fluktuationen der Anzahl der den supraleitenden Ring durchlaufenden elementaren Flussquanten bestimmt. Um diese Fluktuationen gering zu halten, ist der den Ring bildende Freibereich vorzugsweise allseitig von den Löchern umgeben.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In dieser zeigt:
1 ein schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung;
2a ein mit einem Rasterelektronenmikroskop aufgenommenes Bild einer Anordnung nach 1;
2b ein mit einem Kraftrastermikroskop aufgenommenes Bild einer weiteren Anordnung nach 1;
3 ein Diagramm, das in schematischer Weise die Leistungsabhängigkeit des Mikrowellen-Oberflächenwiderstandes eines Supraleiters in einem Mikrowellenfeld bei zwei unterschiedlichen Kühltemperaturen T₁ und T₂ zeigt;
4a eine schematische Querschnittansicht eines die erfindungsgemäße Anordnung enthaltenden Resonators gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4b den in 4a gezeigten Resonator bei abgenommenen Resonatordeckel in Draufsicht;
5a, b, perspektivische Ansichten weiterer HF-Bauteile der 5c Hohlleitertechnik, die in ihrem Innenraum eine erfindungsgemäße Anordnung enthalten;
6 eine schematische Darstellung eines HF-Bandpassfilters in Draufsicht;
7 ein Diagramm, das die kritischen Stromstärken einer erfindungsgemäßen YBCO-Dünnfilm-Anordnung (YBCO = Yttrium Barium Kupfer Oxid) mit Löchern und einer entsprechend dimensionierten YBCO-Dünnfilm-Anordnung ohne Löcher in Abhängigkeit von dem magnetischen Feld B bezogen auf B_m zeigt;
8 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen elektrischen Bandleiters gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
9 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen RF-HTSL-SQUIDs in Draufsicht mit angeschlossener Ansteuer- und Auswerteelektronik gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
10 ein Diagramm, das in schematischer Weise das Niederfrequenzrauschen eines herkömmlichen HTSL-SQUIDs ohne Löcher und eines erfindungsgemäßen HTSL-SQUIDs mit Löchern in Abhängigkeit von einem äußeren Magnetfeld zeigt; und
11 ein Schaltbild eines RSFQ-Schaltkreises.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung. Diese weist einen Träger 1 auf, der bei spielsweise aus Saphir, LaAlO₃, MgO, SrTiO₃ bestehen kann und in nicht dargestellter Weise thermisch an eine Kühleinrichtung angekoppelt ist. Auf der Oberfläche des Trägers 1 ist hier eine beispielsweise aus CeO₂ bestehende Pufferschicht 2 einer Dicke von etwa 100 nm aufgebracht. Die Pufferschicht 2 dient als ebenflächige Grundlage für einen darüber angeordneten supraleitenden Film 3 aus YBa₂Cu₃O₇ (YBCO), dessen Dicke t beispielsweise ebenfalls 100 nm beträgt.
Der YBCO-Film 3 ist mit im Querschnitt kreisförmigen Durchtrittslöchern 4 (auch als "antidots" bezeichnet) versehen, die beispielsweise durch photolithographische oder elektronenstrahllithographische Verfahren in den Film eingebracht werden können. Der Lochradius r sowie der (mittlere) Abstand d zwischen zwei benachbarten Löchern können dabei über einen weiten Bereich variieren und betragen im vorliegenden Beispiel r = 1 μm und d = 10 μm.
Die Sprungtemperatur T_c des derart mit Löchern 4 versehenen YBCO-Films 3 liegt über 77 K, so dass flüssiger Stickstoff als Kühlmittel eingesetzt werden kann.
2a zeigt ein mit einem Rasterelektronenstrahlmikroskop aufgenommenes Bild eines YBCO-Films 3'. Der YBCO-Film 3' wurde durch ein Hochdruck-Magnetron-Sputterverfahren als Dünnfilm auf die Pufferschicht 2 aufgebracht und weist eine sehr geringe Oberflächenrauhigkeit von weniger als 4 nm (von Spitze zu Spitze) auf. Der Lochradius beträgt r = 0,12 μm und der Abstand d zwischen benachbarten Löchern beträgt je nach Orientierung entweder 0,5 oder 1,0 μm.
Zur Strukturierung wurde der YBCO-Film 3' mit einer Au/Nb/PMMA Dreischicht-Photoresistmaske abgedeckt. Die Lochstruktur wurde mittels Elektronenstrahllithographie und eines reaktiven Ätzschrittes unter Verwendung von SF₆ in der Photoresistmaske übertragen und durch einen Ar-Ionen Trockenätzschritt maßhaltig in den YBCO-Film 3' transferiert.
2b zeigt ein mit einem Rasterkraftmikroskop aufgenommenes Bild eines weiteren YBCO-Films 3''. Der YBCO-Film 3'' weist ein quadratisches Lochmuster mit r = 0,12 μm und d = 1,0 μm auf. Die Strukturierung erfolgte ebenfalls durch ein elektronenstrahllithographisches Verfahren.
3 dient der Erläuterung des Begriffs der HF-Verträglichkeit eines Supraleiters, der sich in einem HF-Feld befindet, das von einem Sender der HF-Leistung P erzeugt wird. Der Verlauf des HF-Oberflächenwiderstand R_s ist für zwei unterschiedliche Kühltemperaturen T₁ und T₂ dargestellt. Das dargestellte Verhalten ist qualitativer Natur und gilt in allgemeiner Weise für Supraleiter.
3 zeigt, dass der HF-Oberflächenwiderstand R_s mit der angelegten HF-Leistung P bis zu einer charakteristischen Leistung P_c1 bzw. P_c2 leicht ansteigt und oberhalb der charakteristischen Leistung P_c1 bzw. P_c2 ein sprunghafter Anstieg des HF-Oberflächenwiderstands R_s eintritt.
Der sprunghafte Anstieg des HF-Oberflächenwiderstandes R_s wird durch einen plötzlichen Anstieg der Temperatur des Supraleiters beim Übergang in den normalleitenden Zustand verursacht. Bei der Leistung P_c1 bzw. P_c2 bricht die Supraleitung aufgrund von zu starker Erwärmung plötzlich zusammen (sog. Quench). 3 zeigt, dass der Supraleiter bei einer tieferen Kühltemperatur T₁ eine höhere charakteristische Leistung P_c1 und damit eine höhere HF-Verträglichkeit aufweist als bei einer höheren Kühltemperatur T₂, bei der der Übergang bereits bei der charakteristischen Leistung P_c2 stattfindet.
In der Praxis stellt sich die Temperatur T eines supraleitenden Films im HF-Feld durch die Konkurrenz zwischen der in dem Film dissipierten HF-Leistung (entspricht der zugeführten Wärme) und der Effizienz der Kühlung (bestimmt die abgeführte Wärme) ein. Eine Reduzierung des HF-Oberflächenwiderstands R_s führt daher bei konstanter Kühlung zu einer Erniedrigung der Temperatur des supraleitenden Films und somit zu einer Erhöhung der HF-Leistungsverträglichkeit.
Von wesentlicher Bedeutung ist nun, dass der erfindungsgemäße HTSL-Dünnfilm 3, 3', 3'' einen deutlich kleineren HF-Oberflächenwiderstand R_s aufweist als ein HTSL-Dünnfilm entsprechender Dimensionierung ohne Löcher. Gemäß 3 ist daher seine HF-Leistungsverträglichkeit höher als die des entsprechenden HTSL-Dünnfilm ohne Löcher. Er bleibt daher auch bei höheren HF-Leistungen P noch supraleitend, d.h. einsatzfähig.
Im folgenden wird eine mögliche physikalische Erklärung für die Erniedrigung des HF-Oberflächenwiderstandes R_s der erfindungsgemäßen Anordnung vorgestellt.
Zunächst werden die physikalischen Ursachen für die Dissipation von HF-Feldenergie in einem herkömmlichen HTSL-Dünnfilm ohne Löcher betrachtet:
Dissipation in einem herkömmlichen HTSL-Dünnfilm kann auf zwei verschiedenen Ursachen beruhen. Zum einen können lokale Oberflächeninhomogenitäten (Defekte, normalleitende Ausscheidungen, mechanische Beschädigungen usw.) die Ursache für Dissipation im HTSL-Dünnfilm sein. Derartige Oberflächeninhomogenitäten sind mit einem wesentlich höheren HF-Oberflächenwiderstand R_s als der ungestörte Film behaftet. Die in ihnen dissipierte Leistung ist proportional zu dem Quadrat der magnetischen Feldstärke des HF-Wechselfeldes am Ort der Oberflächeninhomogenität und führt bei zunehmender HF-Leistung zu einer lokalen Aufheizung ("hot spot") nicht nur der Oberflächeninhomogenität, sondern auch der benachbarten ungestörten (supraleitenden) Filmoberfläche, wobei dann auch dort der HF-Oberflächenwiderstand R_s aufgrund seiner Temperaturabhängigkeit zunimmt, d.h. die Dissipation weiter erhöht wird.
Zum anderen tragen sog. Magnetflussschläuche (auch Vortices genannt) zur Dissipation in dem HTSL-Dünnfilm 3, 3', 3'' bei. Mit Überschreiten des sog. Penetrationsfeldes B_p (das von dem unteren kritischen Feld B_c1 des HTSL-Typ II-Supraleiters und seiner Geometrie abhängt) können derartige Flussschläuche in den supraleitenden Film eintreten (sog. Shubkinov-Phase des Supraleiters). Jeder Flussschlauch (Vortex) besitzt einen normalleitenden Kern und trägt ein elememtares Magnetflussquant ϕ₀, wobei ϕ₀ ≈ 2·10^–15 Vs. Die Dissipation durch Flussschläuche entsteht nun durch zwei Mechanismen, nämlich zum einen aufgrund einer Bewegung der Flussschläuche in dem Supraleiter ("Flussschlauchwanderung") und zum anderen aufgrund von HF-Strömen, die durch das äußere HF-Wechselfeld in den normalleitenden Kernen der Flussschläuche hervorgerufen werden.
Zunächst ist festzustellen, dass durch das Einbringen der Löcher 4 in den HTSL-Dünnfilm 3, 3', 3'' offensichtlich keine den HF-Oberflächenwiderstand R_s erhöhenden Film-Inhomogenitäten geschaffen werden. Darüber hinaus werden die beiden letztgenannten Flussschlauch-Dissipationseffekte durch die Löcher 4 günstig beeinflusst: Einerseits bilden die Löcher 4 Verankerungszentren für die Flussschläuche, wodurch die Flussschlauchwanderung im HF-Feld wirksam unterdrückt wird. Andererseits weisen die an den Löchern 4 festgehaltenen Flussschläuche – anders als herkömmliche Flussschläuche – offensichtlich keinen normalleitenden Kern auf. Denn bei dem erfindungsgemäßen HTSL-Dünnfilm 3, 3', 3'' mit Löchern tritt auch bei magnetischen Feldstärken oberhalb der Penetrationsfeldstärke eines herkömmlichen HTSL-Dünnfilms kein durch an den Löchern verankerte Flussschläuche bewirkter Dissipationsbeitrag auf.
4a zeigt einen Resonator 5 in Zylinderbauweise mit einer Resonanzfrequenz der TM₀₁₀-Welle im GHz-Bereich. Der Resonator 5 weist eine kreisförmige Bodenplatte 6, eine zylindrische Umfangswand 7 und einen Resonatordeckel 8 auf. Die Resonatorwandelemente 6, 7 und 8 bestehen aus einem Metall guter elektrischer Leitfähigkeit wie beispielsweise Cu und definieren einen Hohlraum 9. Auf der Oberfläche der Bodenplatte 6 ist eine erfindungsgemäße Anordnung bestehend aus einem Bauteilträger 1, einer optionalen Pufferschicht 2 und einem YBCO-Film 3 aufgebracht. Ein aus einem dielektrischen Material mit hoher Dielektrizitätskonstante ε (beispielsweise aus Saphir oder Bariumtitanat-Zirkonat) bestehender Zylinder 10 ist im Hohlraum 9 zentral angeordnet. Durch die zylindrische Umfangswand 7 hindurch ragen in den Hohlraum 9 eine Einkoppelantenne 11a und eine Auskoppelantenne 11b hinein.
Bei Anregung des Resonators 5 durch Einkopplung von HF-Leistung über die Einkoppelantenne 11a bildet sich in dem Hohlraum 9 ein stehendes elektromagnetisches Resonanzfeld aus. Ein Großteil der Feldenergie ist dabei in dem dielektrischen Zylinder 10 gespeichert.
Die Verluste des Resonators 5 setzten sich aus den dielektrischen Verlusten in dem dielektrischen Zylinder 10 und den dissipativen Wandstromverlusten in den Resonatorwänden zusammen. Da die höchste Mikrowellenleistung in unmittelbaren Umgebung des dielektrischen Zylinders 10 vorhanden ist, sind besonders die in der dem dielektrischen Zylinder 10 benachbarten Bodenplatte 6 auftretenden Verluste kritisch. Die Wirkungsweise der zwischen dem dielektrischen Zylinder 10 und der Bodenplatte 6 angebrachten erfindungsgemäßen Anordnung 1, 2, 3 besteht nun darin, die Bodenplatte 6 gegenüber dem Mikrowellenfeld abzuschirmen und dabei aufgrund ihres weitaus geringeren HF-Oberflächenwiderstands R_s verglichen mit Cu die Wandstromverluste deutlich zu vermindern. Dadurch wird die Güte des Resonators (definiert als das Produkt der Resonanzfrequenz ω_R mit dem Quotienten aus der in dem Resonator gespeicherten Feldenergie und der Verlustleitung) erhöht. Dies ist insbesondere bei hohen Resonanzfrequenzen ω_R von Vorteil, da die Güte von Hohlraumresonatoren zu hohen Frequenzen hin durch die Reduzierung der Baugröße proportional mit ω_R ^–0,5 abnimmt.
4b zeigt den Innenraum 9 des Resonators 5 bei abgehobenem Resonatordeckel 8 und nicht dargestellten Ein-/Auskoppel antennen 11a, 11b in Draufsicht. Die Löcher 4 des auf dem nicht erkennbaren Träger 1 angeordneten YBCO-Dünnfilms 3 sind hier gemäß dem bekannten Stand der Technik in einem quadratischen Muster mit konstanten Abständen d zwischen den Löchern 4 angeordnet. In nicht dargestellter Weise kann jedoch auch eine erhöhte Lochdichte im Bereich des dielektrischen Zylinders 10 vorgesehen sein. Dadurch wird die HF-Verträglichkeit des YBCO-Dünnfilms 3 im Bereich des dielektrischen Zylinders 10 erhöht, so dass der Resonator 5 insgesamt mit einer höheren Leistung P betrieben werden kann.
Die erfindungsgemäße Anordnung kann in allen bekannten Hohlraumresonatortypen (zylindrisch, quaderförmig, mit- und ohne Dielektrikum usw.) zum Einsatz kommen, wobei die Resonatorwände je nach dem konkreten Anwendungsfall und der zugrundeliegenden Resonatorgeometrie entweder teilflächig oder auch ganzflächig mit der erfindungsgemäßen Anordnung bestückt werden können.
Die erfindungsgemäße Anordnung kann auch in Koaxial- oder Hohlleitern integriert werden. Einige diesbezügliche Ausführungsvarianten sind in den 5a, b und c dargestellt.
5a zeigt einen Breitschlitzkoppler 12, der zwei parallel verlaufende Hohlleiter 13, 14 umfasst, die über Verbindungsschlitze 15 in einer gemeinsamen Trennwand 16 miteinander in Verbindung stehen. Durch geeignete Dimensionierung der Verbindungsschlitze 15 lassen sich die Kopplungseigenschaften nach Wunsch bestimmen. Die erfindungsgemäße Anordnung kann teil- oder ganzflächig an den Innenwänden (insbesondere auch der Trennwand 16) als Bauteilträger der Hohlleiter 13, 14 angeordnet sein, wobei insbesondere die mit einer hohen HF- Leistung beaufschlagten Wandbereiche von der erfindungsgemäßen Anordnung bedeckt sind.
5b zeigt eine perspektivische Darstellung einer λ/4-Leitung, die auch als λ/4-Transformator bezeichnet wird. Sie besteht aus drei hintereinander geschalteten Hohlraumsegmenten 17, 18, 19, die jeweils eine Länge von λ/4 aufweisen. Die λ/4-Leitung wird als Zwischenleitung zur Anpassung zweier nicht dargestellter HF-Leitungen mit unterschiedlichen Leitungswiderständen verwendet. Die erfindungsgemäße Anordnung befindet sich in nicht sichtbarer Weise im Inneren der λ/4-Leitung, insbesondere an mit hoher HF-Leistung beaufschlagten Wandflächen.
5c zeigt ein dreipoliges HF-Kammerfilter 20, das aus einem Hauptwellenleiter 21 besteht, an den drei seitliche Kammerfortsätze 22 der Länge λ/4 angeschlossen sind. Die erfindungsgemäße Anordnung kann beispielsweise wandseitig in den Kammerfortsätzen 22 und dort insbesondere an Stellen hoher HF-Leistung vorgesehen sein.
Weitere Einsatzbereiche der erfindungsgemäßen Anordnung liegen im Bereich der Technologie hybrider oder monolithischer integrierter Mikrowellenschaltungen MIC (MIC: microwave integrated circuit). MIC werden üblicherweise in Dünnfilm-Planartechnik gefertigt und eignen sich daher besonders gut für die vorliegende Erfindung.
6 zeigt als Beispiel für ein HF-Hybrid-Bauelement ein 5-poliges Bandpassfilter. Das Bandpassfilter umfasst einen Träger 26 aus einem dielektrischen Material mit guten Wärme leiteigenschaften, bspw. Saphir, über dem entsprechend dem in 1 dargestellten Aufbau eine optionale CeO₂-Pufferschicht (nicht dargestellt) und ein YBCO-Dünnfilm angeordnet sind. Im Unterschied zu der in 1 dargestellten Anordnung ist der YBCO-Dünnfilm hier in einem die Bauteileigenschaften bestimmenden Streifenmuster strukturiert. Das Streifenmuster umfasst einen λ/4-Eingangsstreifen 23, fünf λ/2-Streifen 24 und einen λ/4-Ausgangsstreifen 25, die sämtlich parallel zueinander ausgerichtet sind. Die HF-Leistung wird am Eingangsstreifen 23 zugeführt und über die parallel geschalteten Streifen 24 zum Ausgangsstreifen 25 übertragen. Durch eine weitere Erhöhung der Zahl der Streifen 24 können die Filtereigenschaften verbessert werden.
In 6 ist graphisch angedeutet, dass die Lochdichte an den Längsrandbereichen der einzelnen Streifen 23, 24 und 25 sowie in den Bereichen der Streifenlängsmitten lokal vergrößert ist. Dem liegt zugrunde, dass durch die Streifengeometrie an den Längsrandbereichen der Streifen 23, 24, 25 eine Stromerhöhung auftritt und dass sich bei Resonanz in den Streifenlängsmitten Schwingungsmaxima des HF-Feldes einstellen. Durch die Vergrößerung der Lochdichte in derartigen Bereichen erhöhter HF-Belastung wird die HF-Festigkeit des Bauteils weiter erhöht.
Weitere Hybrid-Streifenleitungsbauteile wie beispielsweise Widerstände, Kapazitäten, Induktivitäten sowie Streifenleitungskoppelglieder und Streifenleitungsresonatoren können in entsprechender Weise unter Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung realisiert werden. Auch bei diesen Bauteilen kann die Lochdichte in den durch die Formgebung oder die Resonanzeigen schaften des Bauteils bedingten kritischen Bereichen hoher HF-Belastung erhöht sein.
Ferner können auch monolithische MIC in entsprechender Aufbauweise realisiert werden. Als Träger wird hierbei ein Halbleitersubstrat eingesetzt, wobei der in geeigneter Weise strukturierte und mit Löchern versehene YBCO-Dünnfilm bspw. durch Sputtern und ggf. unter Verwendung einer zwischen dem Halbleitersubstrat und dem YBCO-Dünnfilm angeordneten Isolierschicht auf das Halbleitersubstrat aufgebracht wird.
7 zeigt ein Diagramm, in dem die kritische Stromstärke I_c für Gleichstrom in Abhängigkeit von der magnetischen Feldstärke B bezogen auf B_m aufgetragen ist, wobei B_m = ϕ₀/d² die Feldstärke ist, die einer Flussschlauchdichte von einem Flussschlauch pro Gitterloch entspricht. Die Messpunkte 27 geben die kritische Gleichstrom-Stromstärke I_c eines YBCO-Dünnfilms ohne Löcher wieder, während die Messpunkte 28 die kritische Gleichstrom-Stromstärke I_c eines identisch präparierten aber in erfindungsgemäßer Weise mit Löchern (Lochabstand d) versehenen YBCO-Dünnfilms angeben. Aus 7 ist ersichtlich, dass die kritische Gleichstrom-Stromstärke I_c des mit Löchern versehenen YBCO-Films nahezu um den Faktor 3 größer ist als die des entsprechenden YBCO-Films ohne Löcher. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der mit Löcher versehene YBCO-Dünnfilm aufgrund des durch die Löcher bewirkten Materialverlustes einen deutlich geringeren guerschnitt für die Stromleitung als der YBCO-Dünnfilm ohne Löcher aufweist.
Es wird angenommen, dass die erhöhte kritische Stromstärke I_c für Gleichstrom des mit Löchern versehenen YBCO-Dünnfilms auf die Unterdrückung der Flussschlauchwanderung durch Verankerung von Flussschläuchen an den Löchern zurückzuführen ist.
8 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrischen Bandleiters 30. Der Bandleiter 30 weist einen in Form eines Metallbands 31 ausgebildeten Bandleiterträger 31 auf. Das Metallband 31 ist mit einer polierten Oberflächen mit hoher Oberflächenebenheit versehen. Die polierte Oberfläche des Metallbands 31 wird mit einer hier nicht dargestellten biaxialen Pufferschicht beschichtet, die beispielsweise aus Y-stabilisiertem ZrO₂ (sogenanntes YSZ) gebildet sein kann. Zur Beschichtung kann das IBAD-(Ion Beam assisted Deposition-)Verfahren verwendet werden, bei dem während der Beschichtung die sich bildende YSZ-Pufferschicht mit Ionen unter einem definierten Winkel beschossen wird, so dass sich eine in der Schichtebene liegende Textur ausbildet. Anschließend werden auf der YSZ-Pufferschicht epitaktische YBCO-Schichten in Form eines Films 32 abgeschieden und dann in der zuvor beschriebenen Weise mit einem Lochmuster versehen. Der Bandleiter 30 weist somit den in 1 dargestellten Grundbau auf. Der auf diese Weise erhaltene YBCO-Film 32 zeigt ähnlich gute Eigenschaften wie ein auf einem einkristallinen Träger (beispielsweise Saphir, LaAlO₃ MgO, SrTiO₃) abgeschiedener YBCO-Film.
Eine weitere Möglichkeit der Herstellung des erfindungsgemäßen Bandleiters 30 besteht darin, den Bandleiterträger 31 durch ein Walz- oder Ziehverfahren aus einem Metallmaterial (beispielsweise Ag) zu fertigen und den YBCO-Film 32 durch ein Tauchverfahren in einer organometallischen Lösung und einem nachfolgenden Pyrolyseschritt auf der Bandleiteroberfläche aufzubringen.
Die Wirkungsweise des Bandleiters 30 ist wie folgt: Wird ein Strom durch den Bandleiter 30 geschickt, stellen der (supraleitende) YBCO-Film 32 und der Bandleiterträger 31 parallel geschaltete Stromleitungspfade dar. Da der elektrische Widerstand des supraleitenden YBCO-Films 32 wesentlich geringer als derjenige des Bandleiterträgers 31 ist, erfolgt der Stromfluss nahezu ausschließlich in dem supraleitenden YBCO-Film 32. Dabei kann der erfindungsgemäße Bandleiter 30 wegen der in 7 dargestellten Erhöhung der kritischen Stromstärke I_c einen deutlich höheren Strom transportieren als ein vergleichbar aufgebauter supraleitender YBCO-Film-Bandleiterträger ohne Löcher im YBCO-Film.
Der in 8 gezeigte Bandleiter 30 kann auch als ein Strombegrenzer ausgelegt sein. Bei Überschreiten der kritischen Stromstärke I_c und dem damit verbundenen Zusammenbrechen der Supraleitung im YBCO-Film 32 wird der den Bandleiter durchfließende Strom auf einen Wert reduziert, welcher nun durch den ohmschen Widerstand des Bandleiterträgers 31 vorgegeben ist und durch eine entsprechende Dimensionierung und/oder Materialwahl desselben nach Wunsch einstellbar ist.
Ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 9 dargestellt.
9 zeigt einen RF-HTSL-SQUID 40, der durch eine geeignete Strukturierung des YBCO-Dünnfilms 3 der in 1 dargestellten Anordnung gefertigt werden kann.
Der RF-SQUID 40 weist einen beispielsweise aus Saphir, LaAlO₃ MgO oder SrTiO₃ bestehenden Träger 41 auf, auf dem in der bereits beschriebenen Weise ggf. unter Verwendung einer CeO₂-Pufferschicht ein YBCO-Dünnfilm 43 aufgebracht ist. Im zentralen Bereich des Dünnfilms 43 ist ein quadratischer Freiraum 45 ausgebildet, wodurch der YBCO-Dünnfilm 43 die Form eines Ringes aufweist. Ferner ist in dem YBCO-Dünnfilm 43 eine stegförmige Aussparung 46 vorgesehen, die sich von einem Rand 47 des YBCO-Dünnfilms 43 in Richtung des zentralen Freiraums 45 erstreckt und kurz vor Erreichen des Freiraums 45 endet.
Zwischen dem freiraumseitigen Ende 48 der Aussparung 46 und dem Freiraum 45 ist in einem brückenartigen Abschnitt des YBCO-Dünnfilms 43 ein Josephson-Kontakt 49 ausgebildet. Der Josephson-Kontakt 49 kann in vielfältiger Weise realisiert sein. Beispielsweise kann er infolge einer Stufenausbildung des Trägers 41 oder in Form einer Verjüngungsstelle des Dünnfilms 43 gebildet sein.
Der YBCO-Dünnfilm 43 ist in der bereits beschriebenen Weise mit Löchern 44 versehen, die in dem dargestellten Beispiel in einem quadratischen Gitter angeordnet sind und den zentralen Freiraum 45 allseitig umgeben.
Ein nicht dargestellter DC-HTSL-SQUID unterscheidet sich von dem gezeigten RF-HTSL-SQUID 40 im wesentlichen nur dadurch, dass in dem Ring anstelle eines Josephson-Kontaktes 49 zwei derartige Kontakte ausgebildet sind.
Bei einer nicht dargestellten alternativen Form eines SQUIDs ist der supraleitende Ring mit Josephson-Kontakt(en) nicht als Struktur in dem Film 3 der erfindungsgemäßen Anordnung ausge bildet, sondern wie üblich in Planarbauweise auf einem gesonderten Chip vorgesehen. Die Rauschunterdrückung wird dann dadurch erreicht, dass eine erfindungsgemäße Anordnung 1, 2, 3 gemäß 1 einfach in "flip-chip"-Konfiguration, d.h. mit dem mit Löchern 4 versehenen Film 3 kopfüber auf den den SQUID tragenden Chip aufgelegt und an diesem fixiert wird. Dabei muss der Josephson-Kontakt (bzw. die Josephsen-Kontakte) nicht notwendigerweise von der erfindungsgemäßen Anordnung überdeckt sein. Wichtig ist nur, dass der mit Löchern versehene YBCO-Film 3 der Anordnung derart auf dem Ring des SQUIDs plaziert, dass ein fluktuatives Eindringen von Flussschläuchen in das Ringinnere verhindert wird.
Zum Betrieb des RF-HTSL-SQUIDs 40 ist dieser über eine Spule 51 induktiv an eine Ansteuer- und Auswerteschaltung 50 angekoppelt. In der Zuleitung zu der Spule 51 befindet sich eine Kapazität 52. Die Spule 51 und die Kapazität 52 bilden einen Schwingkreis, der mit einer RF-Wechselspannung im Bereich von bspw. 100–800 MHz betrieben wird. Die Ansteuer- und Auswerteschaltung 50 weist eine Frequenz-Messeinrichtung auf, mittels der eine Frequenzverstimmung des Schwingkreises 51, 52 nachgewiesen wird.
10 zeigt in qualitativer Form das niederfrequente Rauschverhalten (Gesamtrauschen im Bereich von bspw. 1–10 Hz) eines herkömmlichen HTSL-SQUIDs ohne Löcher (Kennlinie 51) und eines erfindungsgemäßen HTSL-SQUIDs mit Löchern (Kennlinie 52) in Abhängigkeit von dem äußeren Magnetfeld B.
Bei einem äußeren Magnetfeld B unterhalb der Penetrationsfeldstärke B_po des HTSL-Dünnfilms ohne Löcher (beispielsweise B_p0 = 5 μT) zeigen die beiden Kennlinien 53 und 54 einen identischen Verlauf; das niederfrequente Rauschen ist gering.
Überschreitet das äußere Magnetfeld B die Penetrationsfeldstärke B_po des HTSL-Dünnfilms ohne Löcher, erhöht sich das Rauschen S^0,5 bei einem herkömmlichen HTSL-SQUID proportional zu B^0,5. Demgegenüber bleibt das Rauschen bei einem erfindungsgemäßen HTSL-SQUID 40 auch bei B > B_p0 auf niedrigem Niveau (siehe Kennlinie 54).
Dem liegt die folgende Ursache zugrunde:
Mit Erreichen der Penetrationsfeldstärke B_p0 dringen bei einem herkömmlichen HTSL-Dünnfilm (ohne Löcher) magnetische Flussschläuche in den HTSL-Dünnfilm ein. Die Flussschläuche lagern sich an Gitterstörstellen oder anderen in dem HTSL-Dünnfilm vorhandenen Haftzentren an. Die entsprechenden Bindungsenergien sind jedoch so gering, dass es bei den herrschenden Temperaturen von 77K und mehr zu einer thermisch angeregten Bewegung ("vortex hopping") der Flussschläuche in dem HTSL-Dünnfilm kommt. Dies hat Fluktuationen des den Ring durchsetzenden magnetischen Flusses und somit das Entstehen von Rauschen zur Folge.
Wie bereits erwähnt, bilden die Löcher 44 des Dünnfilms 43 künstliche Verankerungszentren für Flussschläuche, die ein wesentlich höheres attraktives Potential für Flussschläuche als die "natürlichen" Haftzentren aufweisen. Dies hat zur Folge, dass sich nicht-verankerte Flussschläuche in Bereichen zwischen den Löchern 44 erst bei einer magnetischen Feldstärke B_p (Penetrationsfeldstärke des mit Löchern 44 versehenen Dünn films 43) bilden, die größer als die Penetrationsfeldstärke B_p0 des nicht mit Löchern versehenen Films ist.
B_p ist von dem Lochradius r, dem Lochabstand d und der Dicke t des Dünnfilmes 43 abhängig und ist durch die Gleichung Bp = Bc1(t/(d – 2r))0,5 bestimmt.
Da an den Löchern festgehaltene Flussschläuche nicht zum Rauschen des SQUIDs 40 beitragen, tritt Flussrauschen erst bei Erreichen des Penetrationsfeldes B_p auf. Das Maß der Rauschverminderung hängt dann u.a. von der maximalen Anzahl n von Flussschläuchen ab, die jedes Loch 44 festhalten kann. Da die maximale Anzahl n gerade beim Einsetzen des Eindringens von Flussschläuche in Bereiche zwischen den Löchern 44 (d.h. bei B = B_p) realisiert ist, folgt n = Bc1·(d2/ϕ0)·(t/(d – 2r))0,5 Ein weiterer zur Rauschverminderung beitragender Effekt besteht darin, dass auch nicht an Löchern verankerte Flussschläuche (die bei B > B_p auftreten können) einen geringeren Rauschbeitrag als im Fall eines YBCO-Films ohne Löcher liefern, da sie vorzugsweise an von dem Lochgitter definierten „Zwischenlochplätzen" gepinnt werden und somit ebenfalls in ihrer Beweglichkeit eingeschränkt sind.
Ferner kann durch eine Anordnung der Löcher 44 in einem quadratischen oder hexagonalen Lochgittermuster kann die Veranke rungsfestigkeit der in dem HTSL-Dünnfilm 43 vorhandenen Flussschläuche weiter erhöht werden, weil dann die den Flussschläuchen angebotene örtliche Verteilung der Verankerungszentren (Löcher) bereits den beiden energetisch bevorzugten Anordnungen ungebundener Flussschläuche entspricht.
Die am Beispiel eines RF-HTSL-SQUIDs erläuterte Rauschunterdrückung kann auch an anderen aktiven supraleitenden Elektronikbauteilen, in denen Flussrauschen auftritt, angewandt werden.
Beispielsweise sind bereits SFQ- (Single Flux Quantum-) oder RSFQ- (Rapid Single Flux Quantum-)Logikschaltkreise bekannt, die im wesentlichen aus einer Mehrzahl von Josephson-Kontakten bestehen, welche die grundlegenden Schaltelemente eines solchen Logikschaltkreises darstellen und über elektrische Leitungswege auf geeignete Weise miteinander in Verbindung stehen. Vom Aufbau her können diese SFQ- oder RSFQ-Logikschaltkreise ähnlich wie übliche mikroeleketronische Logikschaltkreise ausgebildet und in Chipbauweise realisiert sein.
11 zeigt das Schaltbild eines solchen an sich bereits bekannten RSFQ-Logikschaltkreises. Dabei sind mit J1, J2, ..., J11 Josephson-Kontakte, mit R1, R2, ..., R5 elektrische Widerstände und mit L1, L2, ..., L12 Impedanzen bezeichnet. IG, IB und Ia bezeichnen Signalleitungen, an denen logische Signale anliegen.
Ein Problem derartiger Logikschaltkreise mit Josephson-Kontakten war bisher neben der reproduzierbaren Herstellung der Tunnelkontakte insbesondere die Unterdrückung von Störun gen durch eingefangenen magnetischen Fluss in Form von einzelnen Flussquanten. Diese Flussquanten führen durch Flusssprünge (Flussfluktuationen) zu einer starken Erhöhung der Fehlerraten solcher Schaltkreise.
Bei einem Logikschaltkreis, der beispielsweise gemäß 11 aufgebaut sein kann, ist ein erfindungsgemäßer, mit Löchern versehener HTSL-Film (siehe 1) in der zum Rauschen beitragenden Umgebung der Josephson-Kontakte J1, J2, ..., J11 angeordnet, so das dort der magnetische Fluss gezielt gepinnt wird. Beispielsweise können die Josephson-Kontakte J1, J2, ..., J11 wie in 9 direkt in einem mit Löchern versehenen HTSL-Film 43 ausgebildet sein oder es ist auch möglich, einen HTSL-Film mit Löchern in der bereits erwähnten flip-chip Konfiguration von oben auf den gesamten Logikschaltkreis oder gezielt auf die zum Rauschen beitragenden Bereiche des Logikschaltkreises aufzubringen. Dadurch kann die Fehlerrate eines solchen Logikschaltkreises deutlich verringert werden.
Erfindungsgemäße SFQ- und RSFQ-Logikschaltkreise weisen ein breites Anwendungsspektrum auf und können in einfachen Schaltungen (beispielsweise AD-Konverter), komplexeren Schaltungen (beispielsweise digitales SQUID-Bauelement) sowie auch in hochintegrierten Schaltungen (beispielsweise Speicherschaltungen und digitale Logik) zum Einsatz kommen.

Claims

HF-Bauteil mit einem Bauteilträger (26) und einem auf dem Bauteilträger (26) angeordneten Film (23, 24, 25), wobei der Film ein Hochtemperatursupraleiter (HTSL)-Film ist, ist der in einer für das HF-Bauteil charakteristischen vorgegebenen Form strukturiert ist, und wobei der Film (23, 24, 25) mit einer Vielzahl von den Film (23, 24, 25) durchsetzenden Löchern mit einem Radius r im Bereich von 50 bis 2000 nm versehen ist, deren Anzahldichte über den Film (23, 24, 25) örtlich derart variiert, dass in gefährdeten Bereichen höherer äußerer magnetischer Feldstärke, erhöhter Temperatur oder auch erhöhter Stromdichte eine besonders hohe lokale Anzahldichte von Löchern vorhanden ist.
HF-Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius r der Löcher im Bereich von 500 bis 1000 nm liegt.
HF-Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Abstand d zwischen benachbar ten Löchern, der Lochradius r und die Dicke t des Films (23, 24, 25) so gewählt ist, dass die Ungleichung Bc1·(t/(d – 2r))0,5 ≥ Berfüllt sind, wobei B_c1 das untere kritische Feld des Supraleiters und B das äußere Magnetfeld bezeichnen.
HF-Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Abstand d zwischen benachbarten Löchern im Bereich von 2 bis 250 μm liegt.
HF-Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Abstand d zwischen benachbarten Löchern im Bereich von 5 bis 20 μm liegt.
HF-Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperatursupraleiter aus einem YBA₂Cu₂O₇-Material gebildet ist.
HF-Bauteil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Film (23, 24, 25) eine streifen- oder schleifenförmige Ausbildung aufweist.